一種數字化晶閘管直流電動機調速裝置與方法
【專利摘要】本發明實施例公開了一種數字化晶閘管直流電動機調速裝置與方法，涉及電機控制技術領域，實現了對實際情況下的算法進行快速驗證，靈活性高且節省時間和人員的工作量。本發明包括：計算機設備(1)、邏輯保護電路(2)、電機驅動控制器(3)、可控整流模塊(4)和數據采集模塊(5)；其中，計算機設備(1)通過可控整流模塊(4)與電機驅動控制器(3)串聯連接，數據采集模塊(5)、計算機設備(1)、邏輯保護電路(2)、電機驅動控制器(3)、直流電機(17)依次串聯連接，直流電機(17)與數據采集模塊(5)連接。本發明適用于直流電機的數字化控制。
【專利說明】
一種數字化晶閘管直流電動機調速裝置與方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電機控制技術領域，尤其涉及一種數字化晶閘管直流電動機調速控制 裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002] 直流電機是機電一體化領域中發展出的重要產品，各大科研機構和技術公司都針 對直流電機控制方案進行了大量的研究，其研究方式不外乎兩種：
[0003] -是在專用的仿真軟件環境下下構建直流電機的本體模型和控制模型，在該模型 中進行控制算法的實現、參數尋優等理論模擬仿真。但通過仿真軟件僅能夠從理論算法上 驗證控制方案的可行性，且通常都是理想情況下的模擬仿真，無法將處理結果實時的應用 到真實的直流電機的控制中去。
[0004] 二是利用專門的電機控制芯片設計相應的控制器，從而實現對直流電機的控制。 這種方法是基于專用芯片的控制系統，能夠一定程度上滿足真實環境的實驗需求，但是在 實驗中針對算法及算法參數的修改和負載的調整需要耗費研究人員巨大的時間和精力，且 成本較高，靈活性差且難以對實際情況下的算法進行快速驗證。
【發明內容】
[0005] 本發明的實施例提供一種數字化晶閘管直流電動機調速控制裝置及控制方法，實 現了對實際情況下的算法進行快速驗證，靈活性高且節省時間和人員的工作量。
[0006] 為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：
[0007] -種數字化晶閘管直流電動機調速控制裝置，包括:計算機設備（1)、邏輯保護電 路(2)、電機驅動控制器(3)、可控整流模塊(4)和數據采集模塊(5);其中，計算機設備（1)通 過可控整流模塊(4)與電機驅動控制器(3)串聯連接，數據采集模塊(5)、計算機設備（1)、邏 輯保護電路(2)、電機驅動控制器(3)、直流電機(17)依次串聯連接，直流電機(17)與數據采 集模塊(5)連接；
[0008] 邏輯保護電路（2)由邏輯芯片和連接所述邏輯芯片的外圍電路組成，用于在向后 續IPM模塊發送的控制信號時，觸發同一橋臂的上下橋臂中的其中一個導通；
[0009] 電機驅動控制器(3)由光電隔離模塊(7 )、功率芯片供電模塊(8 )、功率驅動模塊
[9] 、保護電路模塊(13)組成;其中，光電隔離模塊(7)、功率芯片供電模塊(8)和保護電路模 塊(13)均與功率驅動模塊(9)相連，功率驅動模塊(9)與直流電機(17)相連，計算機設備（1) 通過邏輯保護模塊(2)連接光電隔離模塊(7);
[0010] 可控整流模塊(4)由高壓供電模塊(6 )、單相橋式半控整流電路（14)和觸發電路 (15)組成；
[0011] 數據采集模塊(5)包括編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)和 同步信號采集模塊（16)，其中，編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)和電壓測量模塊（12)均 分別連接試驗用直流電機（17)和計算機設備（1)，同步信號采集模塊（16)同時連接高壓供 電模塊(6)和計算機設備(1)。
[0012] -種基于上述數字化晶閘管直流電動機調速控制裝置的控制方法，所述方法包 括:通過數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊(6)的同步信號U、直流電機轉子的實測速度w 和直流電機霍爾信號dl、d2、d3;并根據同步信號U進行過零檢測，并得到正/負過零信號；同 時計算得到誤差e = wrrf-W，其中Wre5f為直流電機轉子的參考速度，并進行速度環PI運算，得 至個定的移相控制量0= ~fH_心
[0013] 通過計算機設備（1)根據所述正/負過零信號和所述固定的移相控制量0發出向可 控整流模塊(4)發送觸發信號，并由可控整流模塊(4)得到直流電機(17)的直流供電電壓；
[0014] 再根據所述霍爾信號dl、d2、d3獲取直流電機（17)的位置信息，并根據所述位置信 息得到直流電機（17)的換向信號，再將所述換向信號經邏輯保護模塊(2)向電機驅動控制 器(3)發送。
[0015]還包括:通過數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊(6)的同步信號U、直流電機轉子 的實測速度w和直流電機霍爾信號dl、d2、d3;并根據同步信號U進行過零檢測，并得到正/負 過零信號；同時計算得到誤差e = Wrrf-W，其中Wrrf為直流電機轉子的參考速度，并進行速度 環PI運算，得到控制量輸出t.f以 (J *
[0016] 通過計算機設備（1)根據直流電機（17)的換向信號和所述控制輸出量u得到PWM控 制信號;并將所述PWM控制信號經邏輯保護模塊(2)向電機驅動控制器(3)發送。
[0017] 本發明實施例提供的數字化晶閘管直流電動機調速控制裝置及控制方法，實現了 直流電機快速接入，并建立閉環仿真模型，能夠將實時運行參數反饋到實時控制單元，實現 實際的硬件在環實驗，相對于專用DSP芯片的控制系統要簡單且節省時間和人員的工作量。 并可以實時控制修改算法參數，為參數尋優、各種算法的性能比較，實現了對實際情況下的 算法進行快速驗證，以及控制算法的參數調節提供了方便。且可以通過調壓來調速也可通 過調節PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)來實現調速，靈活性高。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領 域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附 圖。
[0019] 圖1為是本發明實施例提供的裝置的結構示意圖；
[0020] 圖2為是本發明實施例提供的裝置的細化結構示意圖；
[0021] 圖3為是本發明實施例提供的直流電機的調壓調速控制流程示意圖；
[0022] 圖4為是本發明實施例提供的直流電機的PWM調速控制流程示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方 式對本發明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示 例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類 似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能 解釋為對本發明的限制。本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數形 式"一"、"一個"、"所述"和"該"也可包括復數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書 中使用的措辭"包括"是指存在所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除 存在或添加一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解， 當我們稱元件被"連接"或"耦接"到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者 也可以存在中間元件。此外，這里使用的"連接"或"耦接"可以包括無線連接或耦接。這里使 用的措辭"和/或"包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。本技術領域 技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有 與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用 字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且 除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0024] 本發明實施例提供一種數字化晶閘管直流電動機調速控制裝置，如圖1所示，包 括:計算機設備（1)、邏輯保護電路(2)、電機驅動控制器(3)、可控整流模塊(4)和數據采集 模塊(5)。其中，計算機設備（1)通過可控整流模塊(4)與電機驅動控制器(3)串聯連接，數據 采集模塊(5)、計算機設備（1)、邏輯保護電路(2)、電機驅動控制器(3)、直流電機（17)依次 串聯連接，直流電機(17)與數據采集模塊(5)連接。
[0025] 具體的，計算機設備（1)產生2路觸發控制信號通過觸發電路（15)接到單相橋式半 控整流電路(14)從而控制給直流電機供電的直流電，完成通過調壓來調速。
[0026] 進一步的，計算機設備（1)產生6路PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制） 信號通過6路接口接邏輯保護電路(2)后送到電機驅動控制器(3)，電機驅動控制器(3)和直 流電機(17)通過三相電源線、霍爾信號線相連，控制電機的運行，編碼器模塊（10)獲得試驗 用直流電機(17)的位置和速度信息反饋到計算機設備（1);計算機設備（1)和數據采集模塊 (5)以及邏輯保護電路(2)之間通過實時控制軟件的硬件相連，將計算機設備（1)上設置的 各控制參數傳輸給電機驅動控制器，數據采集模塊(5)同時將采集到的試驗用直流電機的 實時數據傳送給實時控制單元，形成閉環控制。邏輯保護電路(2)由邏輯芯片和連接所述邏 輯芯片的外圍電路組成，用于在向后續IPM模塊（Intelligent Power Module，智能功率模 塊)發送的控制信號時，觸發同一橋臂的上下橋臂中的其中一個導通。
[0027] 本實施例中，計算機設備（1)由運行Mat lab/Simul ink或Labview軟件環境的PC機 和(>)113118 61'或1'11平臺組成。例如：安裝(>)113118 61'公司出品的(>)1131^實時軟件和1^11：1313軟件， Matlab與QuaRC軟件包括電機控制算法的實現、參數設置部分和動態性能參數顯示部分；電 機控制算法的實現與參數設置部分用于調制控制信號PWM波形，并通過實時控制軟件輸送 到電機驅動控制器中；動態性能參數顯示部分用于顯示數據采集模塊(5)傳送過來的電機 運行動態數據，用于觀察整個系統的運行狀況。
[0028] 具體的，如圖2所示的，電機驅動控制器(3)由光電隔離模塊(7)、功率芯片供電模 塊(8 )、功率驅動模塊(9 )、保護電路模塊（13)組成。其中，光電隔離模塊(7 )、功率芯片供電 模塊(8)和保護電路模塊（13)均與功率驅動模塊（9)相連，功率驅動模塊（9)與直流電機 (17)相連，計算機設備(1)通過邏輯保護模塊(2)連接光電隔離模塊(7)。
[0029] 數據采集模塊(5)包括編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)、電壓測量模塊(12)和 同步信號采集模塊（16)，其中，編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)和電壓測量模塊（12)均 分別連接試驗用直流電機（17)和計算機設備（1)，同步信號采集模塊（16)同時連接高壓供 電模塊(6)和計算機設備(1)。
[0030] 具體的，如圖3所示的，可控整流模塊(4)由高壓供電模塊(6)、單相橋式半控整流 電路（14)和觸發電路（15)組成。
[0031] 本發明實施例提供的用于一種數字化晶閘管直流電動機調速控制裝置，實現了直 流電機快速接入，并建立閉環仿真模型，能夠將實時運行參數反饋到實時控制單元，實現實 際的硬件在環實驗，相對于專用DSP芯片的控制系統要簡單且節省時間和人員的工作量。并 可以實時控制修改算法參數，為參數尋優、各種算法的性能比較，實現了對實際情況下的算 法進行快速驗證，以及控制算法的參數調節提供了方便。且可以通過調壓來調速也可通過 調節PWM來實現調速，靈活性高。
[0032] 在本實施例中，還提供一種數字化晶閘管直流電動機調速控制方法，該方法具體 用于上述控制裝置，該方法包括：
[0033]通過數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊(6)的同步信號U、直流電機轉子的實測 速度w和直流電機霍爾信號(11、(12、(13。并根據同步信號1]進行過零檢測，并得到正/負過零信 號。同時計算得到誤差e=w rrf-W，其中為直流電機轉子的參考速度，并進行速度環PI運 t 算屬到固定的移相控制量^&^+^^^其中&為比例系數而為積分系數 0 〇
[0034]通過計算機設備（1)根據所述正/負過零信號和所述固定的移相控制量0發出向可 控整流模塊(4)發送觸發信號，并由可控整流模塊(4)得到直流電機(17)的直流供電電壓。 [0035]再根據所述霍爾信號dl、d2、d3獲取直流電機（17)的位置信息，并根據所述位置信 息得到直流電機（17)的換向信號，再將所述換向信號經邏輯保護模塊(2)向電機驅動控制 器(3)發送。
[0036] 例如:基于如圖3所示的流程架構，數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊的同步信 號U、直流電機轉子實測速度w，直流電機霍爾信號dl，d2，d3,其中，還可加入電機相電流等 信號，從而在控制環中可加入電流環形成雙閉環控制;根據同步信號U進行軟件過零檢測， 發出正/負過零信號;計算誤差e = wref-W;(Wref為直流電機轉子參考速度）；進行速度環PI運 t 算，得到移相控制量輸出9 心j" 計算機設備（i)根據正/負過零信號和移相控制 量9發出觸發信號給可控整流模塊得到直流電機的直流供電電壓;計算機設備（1)根據霍爾 信號dl，d2，d3獲得直流電機的位置信息，從而得到直流電機的換向信號;換向信號由計算 機設備(1)發出，經邏輯保護模塊(2)送至電機驅動控制器(3)從而控制直流電機的運轉。
[0037] 進一步的，本實施例中還提供一種PWM控制過程，具體包括：
[0038] 通過數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊(6)的同步信號U、直流電機轉子的實測 速度w和直流電機霍爾信號(11、(12、(13。并根據同步信號1]進行過零檢測，并得到正/負過零信 號。同時計算得到誤差e=w rrf-W，其中為直流電機轉子的參考速度，并進行速度環PI運 算，得到控制量輸出《 = +再通過計算機設備（1)根據直流電機（17)的換向信 0： 號和所述控制輸出量u得到PWM控制信號。并將所述PWM控制信號經邏輯保護模塊(2)向電機 驅動控制器(3)發送。
[0039] 例如：如圖4所示，數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊的同步信號U、直流電機轉 子實測速度w，直流電機霍爾信號dl，d2，d3;根據同步信號U進行軟件過零檢測，發出正/負 過零信號;計算誤差e=m;( Wrrf為直流電機轉子參考速度）；進行速度環PI運算，得到控 制量輸出《 人.H十算機設備（1)根據正/負過零信號和固定的移相控制量0發出 0 觸發信號給可控整流模塊得到固定的直流電機的直流供電電壓;計算機設備（1)根據霍爾 信號dl，d2，d3獲得直流電機的位置信息，從而得到直流電機的換向信號;計算機設備（1)根 據直流電機的換向信號和控制輸出量u得到PWM控制信號;PWM控制信號經邏輯保護模塊(2) 送至電機驅動控制器(3)從而控制直流電機的運轉。
[0040] 進一步的，在計算機設備（1)運行過程中，向屏幕輸出并顯示直流電機(17)的狀態 信息，所述狀態信息至少包括:直流電機(17)的實測速度和電機相電流。由于PC機與實時控 制軟件的操作界面都是可視化的，電機控制算法和電機動態參數都是以圖像化顯示，便于 觀察和分析。
[0041] 本發明實施例提供的一種數字化晶閘管直流電動機調速控制方法，實現了直流電 機快速接入，并建立閉環仿真模型，能夠將實時運行參數反饋到實時控制單元，實現實際的 硬件在環實驗，相對于專用DSP芯片的控制系統要簡單且節省時間和人員的工作量。并可以 實時控制修改算法參數，為參數尋優、各種算法的性能比較，實現了對實際情況下的算法進 行快速驗證，以及控制算法的參數調節提供了方便。且可以通過調壓來調速也可通過調節 PWM來實現調速，靈活性高。
[0042] 本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設備實 施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例 的部分說明即可。以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于 此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替 換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范 圍為準。
【主權項】
1. 一種數字化晶閘管直流電動機調速裝置，其特征在于，包括:計算機設備（1)、邏輯保 護電路(2)、電機驅動控制器(3)、可控整流模塊(4)和數據采集模塊(5);其中，計算機設備 (1)通過可控整流模塊(4)與電機驅動控制器(3)串聯連接，數據采集模塊(5)、計算機設備 (1)、邏輯保護電路(2)、電機驅動控制器(3)、直流電機(17)依次串聯連接，直流電機(17)與 數據采集模塊(5)連接； 邏輯保護電路(2)由邏輯芯片和連接所述邏輯芯片的外圍電路組成，用于在向后續的 智能功率模塊(IPM)發送的控制信號時，觸發同一橋臂的上下橋臂中的其中一個導通； 電機驅動控制器(3)由光電隔離模塊(7 )、功率芯片供電模塊(8)、功率驅動模塊(9 )、保 護電路模塊(13)組成;其中，光電隔離模塊(7 )、功率芯片供電模塊(8)和保護電路模塊(13) 均與功率驅動模塊(9)相連，功率驅動模塊(9)與直流電機(17)相連，計算機設備（1)通過邏 輯保護模塊(2)連接光電隔離模塊(7); 可控整流模塊(4)由高壓供電模塊(6 )、單相橋式半控整流電路（14)和觸發電路（15)組 成； 數據采集模塊(5)包括編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)、電壓測量模塊（12)和同步 信號采集模塊(16)，其中，編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)和電壓測量模塊(12)均分別 連接試驗用直流電機（17)和計算機設備（1)，同步信號采集模塊（16)同時連接高壓供電模 塊(6)和計算機設備(1)。2. 根據權利要求1所述的數字化晶閘管直流電動機調速裝置，其特征在于，計算機設備 (1)由運行Matlab/Simulink或Labview軟件環境的PC機和Quanser或NI平臺組成。3. -種數字化晶閘管直流電動機調速控制方法，其特征在于，所述方法用于一種控制 裝置，所述控制裝置包括:計算機設備（1)、邏輯保護電路(2)、電機驅動控制器(3)、可控整 流模塊(4)和數據采集模塊(5);其中，計算機設備（1)通過可控整流模塊(4)與電機驅動控 制器(3)串聯連接，數據采集模塊(5)、計算機設備（1)、邏輯保護電路(2)、電機驅動控制器 (3 )、直流電機(17)依次串聯連接，直流電機(17)與數據采集模塊(5)連接； 所述方法包括： 通過數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊(6)的同步信號U、直流電機轉子的實測速度w 和直流電機霍爾信號dl、d2、d3;并根據同步信號U進行過零檢測，并得到正/負過零信號；同 時計算得到誤差e = wrrf-w，其中Wre3f為直流電機轉子的參考速度，并進行速度環PI運算，得 到固定的移相控制I其中ΚΡ為比例系數，K:為積分系數； 9 通過計算機設備（1)根據所述正/負過零信號和所述固定的移相控制量Θ發出向可控整 流模塊(4)發送觸發信號，并由可控整流模塊(4)得到直流電機(17)的直流供電電壓； 再根據所述霍爾信號dl、d2、d3獲取直流電機（17)的位置信息，并根據所述位置信息得 到直流電機(17)的換向信號，再將所述換向信號經邏輯保護模塊(2)向電機驅動控制器(3) 發送。4. 根據權利要求3所述的數字化晶閘管直流電動機調速控制方法，其特征在于： 計算機設備（1)由運行Matlab/Simulink或Labview軟件環境的PC機和Quanser或NI平 臺組成； 邏輯保護電路(2)由邏輯芯片和連接所述邏輯芯片的外圍電路組成，用于在向后續智 能功率模塊發送的控制信號時，觸發同一橋臂的上下橋臂中的其中一個導通； 電機驅動控制器(3)由光電隔離模塊(7 )、功率芯片供電模塊(8)、功率驅動模塊(9 )、保 護電路模塊(13)組成，其中，光電隔離模塊(7 )、功率芯片供電模塊(8)和保護電路模塊(13) 均與功率驅動模塊(9)相連，功率驅動模塊(9)與直流電機(17)相連，計算機設備（1)通過邏 輯保護模塊(2)連接光電隔離模塊(7); 可控整流模塊(4)由高壓供電模塊(6 )、單相橋式半控整流電路（14)和觸發電路（15)組 成； 數據采集模塊(5)包括編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)、電壓測量模塊（12)和同步 信號采集模塊(16)，其中，編碼器模塊(10)、電流測量模塊(11)和電壓測量模塊(12)均分別 連接試驗用直流電機（17)和計算機設備（1)，同步信號采集模塊（16)同時連接高壓供電模 塊(6)和計算機設備(1)。5. 根據權利要求4所述的數字化晶閘管直流電動機調速控制方法，其特征在于： 通過數據采集模塊(5)采集高壓供電模塊(6)的同步信號U、直流電機轉子的實測速度w 和直流電機霍爾信號dl、d2、d3;并根據同步信號U進行過零檢測，并得到正/負過零信號；同 時計算得到誤差e = wrrf-w，其中Wre3f為直流電機轉子的參考速度，并進行速度環PI運算，得 到控制量輸吐通過計算機設備（1)根據直流電機（17)的換向信號和所述控制輸出量u得到脈沖寬度 調制(PWM)控制信號；并將所述HVM控制信號經邏輯保護模塊(2)向電機驅動控制器(3)發 送。6. 根據權利要求3-5中任意一項所述的數字化晶閘管直流電動機調速控制方法，其特 征在于，在計算機設備（1)運行過程中，向屏幕輸出并顯示直流電機（17)的狀態信息，所述 狀態信息至少包括:直流電機(17)的實測速度和電機相電流。
【文檔編號】H02P7/00GK105958878SQ201610474190
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】黃家才, 張玎橙, 李海彬, 劉宇
【申請人】南京工程學院